Comparative Analysis on Application of Exhaust Valve of Small-sized Marine Diesel Engine for NIMONIC 86 Material

NIMONIC 86 소재의 소형 선박디젤엔진 배기밸브 적용에 관한 비교 해석

Abstract

In this paper, NIMONIC 86 material was tried to apply to exhaust valve for small-sized marine diesel engine. The both structural stability and thermal resistance in high temperature were needed to use the NIMONIC 86 material as exhaust valve for small-sized marine diesel eng ine. The purpose of this study is to investig ate the application of NIMONIC 86 material to exhaust valve of small-sized marine diesel engine by comparing, respectively, SUH 3 and STS 316 materials. As the results, NIMONIC 86 material has intermediate characteristics between SUH 3 and STS 316 materials in terms of the strength in condition of room temperature. Further NIMONIC 86 material was evaluated to have better characteristics than SUH 3 and STS 316 materials in terms of the thermal conductivity.

1. 서론

디젤엔진은 이론 열효율이 가솔린엔진과 비교하여 약 7∼15% 더 높고 또한 출력, 토크 등 우수한 장점이 많아 선박, 발전기 및 중장비 차량 등에 많이 적용되어지고 있다. 선박 디젤엔진에 관한 연구로서 Park 등[1]은 선박용 저속 2행정 디젤엔진의 실린더 내부 폭발 압력측정을 위한 압력 센서 개발과 노이즈 개선 및 신호처리를 통한 신뢰성 향상에 관한 연구를 수행하였으며, Song 등[2]은 선박 엔진용 배기밸브 페이스부의 하드페이싱을 위한 최적의 레이저 클래딩 조건을 도출하고자 하였다. 초내열합금에 관한 연구로서 Kim 등[3]은 일방향 응고 Ni계 초내열합금 CM247LC의 주조방향에 대하여 수직한 방향과 평행한 방향의 열확산도와 비열을 측정하여 이를 통해 열전도율을 도출하였다. 본 연구 대상인 NIMONIC 86 소재에 관한 연구로서 Cho[4] 는 위의 소재에 대한 열처리 및 침탄 후의 크립거동에 관한 연구를 수행하였으나, 현재까지 NIMONIC 86 소재에 관한 연구 및 자료는 그다지 많지 않다. 본 연구의 비교대상인 SUH 3 소재에 관한 연구로서 Chung 등은 접합 잔류응력과 외부하중이 동시 작용하는 SUH35/SUH3의 이종마찰용접계면에 대한 잔류응력 특이성에 관한 해석[5] 및 정량적 강도평가 방법[6]에 관한 연구를 수행하였다. 또한 본 연구의 비교대상인 STS 316 소재는 오스테나이트계 스테인레스강으로서 뛰어난 부식 저항성과 우수한 기계적 성질로 인해 이미 많은 산업분야에 적용되어지고 있다[7]∼[9].

본 연구는 NIMONIC 86 소재의 소형 선박디젤 엔진 배기밸브로의 적용 가능성 조사를 목적으로 한다. 즉 흡·배기밸브용으로 현재 일반적으로 사용되어지고 있는 SUH 3 소재와, 산업분야에서 폭넓게 사용되어지고 있는 STS 316 소재와의 해석적 비교를 통해 NIMONIC 86 소재의 배기밸브로의 적용 가능성을 파악하고자 하였다.

2. 모델링 및 수치해석 방법

본 해석대상의 배기밸브를 장착하고 있는 선박용 디젤엔진의 로터캡 모듈에 대해 간략히 기술하고자 한다. Fig. 1에 배기밸브를 포함한 로터캡 위치를 나타내었다[10]. 그림과 같이 로터캡은 흡·배기밸브의 상부에 모듈형태로 장착되어진다.

Fig. 1 Location of roto cap in marine diesel engine

Fig. 2는 로터캡 모듈 및 본 연구 대상인 배기밸브를 나타낸 것이다. 로터캡이 필요한 이유로서 흡·배기밸브는 실린더 흡·배기의 개폐역할을 한다. 만약 흡·배기밸브가 단순히 상하운동만 한다면 실린더의 밸브 개폐구는 밸브헤드와 동일 지점에 반복적인 접촉을 하게 되며 이로 인해 밸브헤드와 함께 실린더 밸브 개폐구의 편마모를 초래하여 엔진의 수명을 단축시킨다. 따라서 이러한 편마모를 방지하기 위하여 로터 캡은 밸브의 밸브스템엔드부에 장착되어 엔진 운전 시 밸브의 상하운동과 함께 밸브에 일정한 회전속도를 부여함으로서 편마모를 방지하는 디젤엔진의 핵심 부품 중 하나로 알려져 있다[10]. 따라서 상하운동과 함께 회전운동을 병행하는 선박용 디젤엔진의 배기밸브는 내열성 외에 구조적 안정성도 갖추고 있어야 한다.

Fig. 2 Module of roto cap and exhaust valve

Fig. 3에 본 연구의 해석대상인 배기밸브의 모델링을 나타내었다. 총 길이는 279.2mm, 밸브헤드의 직경은 61mm 등이다. 또한 상부에 직경 10.5mm의 로터캡이 장착되는 밸브스프링 리테이너 및 실린더 내부로 삽입되는 직경 12.3mm의 밸브스템이 관측된다.

Fig. 3 Modeling of exhaust valve

Fig. 4는 배기밸브의 경계조건을 나타낸 것이다. 밸브마진(valve margin)이 아닌 밸브헤드에만 압력 및 온도를 부여하였으며 로커암과 접촉되는 밸브스템엔드부의 말단면을 고정(fixed)하였다.

Fig. 4 Boundary condition

해석 격자를 Fig. 5에 나타내었다. 격자 형태는 사면체(tetrahedron)이며 노드(node) 수는 약 94만개, 엘리먼트(element) 수는 약 66만개로 하였다.

Fig. 5 Mesh

Table 1은 배기밸브의 기계적 물성치를 나타낸 것이다. 연소가스에 의한 화염온도는 2000℃ 이상이며 흡기밸브는 300℃ 이상, 배기밸브는 500∼800℃ 이상이므로 특히 배기밸브는 고온에서 경도가 우수하고 내고압 및 내고온 등이 우수한 소재를 선택해야 하는 것으로 알려져 있다[2]. 오스테나이트계 스테인레스강인 STS 316 소재는 우수한 내식성과 내열성 때문에 화학, 해양, 원자력 분야 등에 널리 사용되고 있다. 마르텐사이트계 내열강인 SUH 3 소재는 엔진용 흡·배기 밸브용으로 가장 일반적으로 사용되는 소재이며 내열강도가 높고 구매가 쉬우며 최대 140bar 미만의 경유 및 중유를 사용하는 중소형 엔진에 적용되고 있다. 이와 같이 배기밸브는 SUH 3가 기본적으로 사용되나 부하의 증가 및 사용수명 증가 등을 목적으로 고가의 Ni 기(내고온, 내식성 특징) 베이스의 NIMONIC 80A, 81 소재가 사용되기도 한다. 그러나 배기밸브 소재로서 NIMONIC 86 소재를 사용하는 경우는 거의 없다. 본 해석에서는 NIMONIC 86 소재를 SUH 3 및 STS 316 소재와 비교 평가함에 의해 배기밸브로서의 적용 가능성을 파악하고자 하였다. Table 2에 배기밸브의 열적 물성치를 나타내었다.

Table 1. Mechanical material properties of exhaust valve

Table 2. Thermal material properties of exhaust valve

Table 3은 해석조건을 나타낸 것이다. 소형 엔진을 대상으로 최대압력이 200bar인 경우에 대해 50bar 간격으로 배열하였다. Song 등[2]이 나타낸 500∼800℃를 기준으로 300℃ 간격으로 나타내었으며 최대 1100℃ 경우도 조사하고자 하였다. 본 연구의 해석 프로그램으로서 ANSYS Workbench 2022/R2를 사용하였다.

Table 3. Analysis conditions

3. 해석결과 및 고찰

3.1 구조 해석

본 해석대상 배기밸브의 구조적 안정성에 관해 비교하고자 한다. 엔진 작동 시 밸브페이스와 실린더 밸브 개폐구는 반복적인 충격이 가해지므로 피로파괴의 가능성도 높다. 그러나 본 해석에서는 피로에 의한 손상은 고려하지 않았다. Fig. 6에 SUH 3 소재의 경우 밸브헤드에 100bar의 압력을 부여했을 때 배기밸브 전체의 응력, 변형량 및 안전계수 분포 예를 나타내었다. Fig. 6(a)의 응력의 경우 밸브헤드보다 밸브스템에서 높은 값을 보이며 특히 리테이너 부분에서 최대값을 보이고 있다. Fig. 6(b)의 변형량의 경우 밸브스템엔드부를 고정하고 밸브헤드에 압력을 부여하였으므로 밸브헤드에 가까울수록 변형량의 증가가 관측된다. Fig. 6(c)의 안전계수의 경우 최대값보다 최소값이 중요하다. 그림에서 알 수 있는 바와 같이 밸브헤드 부분이 가장 안전하며 밸브스템의 리테이너 부분에서 최소값이 관측된다. 즉 배기밸브는 큰 압력이 밸브헤드에 가해질 때 밸브스템의 리테이너 부분부터 파손될 가능성이 가장 크다는 것을 확인할 수 있다.

Fig. 6 Examples of image of exhaust valve in case of SUH 3 and 100bar

Fig. 7에 압력변화에 따른 3 소재의 최대등가응력, 최대변형량, 안전계수를 비교하였다. Fig. 7(a)의 최대 등가응력의 경우 압력이 증가함에 따라 3 소재 모두 선형적으로 증가한다. 최대응력은 STS 316 소재가 가장 높으나 SUH 3와 NIMONIC 86은 거의 차이가 없음이 관측된다. 즉 전반적으로 3 소재의 최대등가응력은 거의 동일하다고 할 수 있다. Fig. 7(b)의 최대변형량의 경우 압력의 증가에 따라 최대변형량도 증가한다. 최대변형량은 STS 316, SUH 3, NIMONIC 86의 순서로 크다. 응력이 증가할수록 변형량도 증가하고 있음을 알 수 있다. Fig. 7(a)에서는 SUH 3와 NIMONIC 86의 최대응력의 차는 거의 없었으나 변형량에서는 그 차이가 관측된다. 여기서 결과적으로 NIMONIC 86 소재의 최대등가응력은 STS 316 및 SUH 3와 거의 동일하지만 그 변형량이 STS 316 및 SUH 3보다 작은 것은 배기밸브로 사용하기 위한 조건에 바람직한 것으로 판단된다. Fig. 7(c)의 안전계수의 경우 압력이 증가할수록 안전계수는 감소한다. 그 크기는 SUH 3, NIMONIC 86, STS 316의 순서를 나타내며 클수록 안전함을 나타낸다. 안전성 측면에서 NIMONIC 86은 SUH 3와 STS 316의 중간에 있음을 알 수 있다. 즉 NIMONIC 86은 강도 측면에서 SUH 3보다 우수하지 못한 것을 나타낸다. 이것은 내열합금용으로 사용하기 위해 개발되는 NIMONIC 계열의 특성을 나타내는 것으로 여기서는 NIMONIC 86의 강도 측면에서 타 금속과의 비교에 의한 상대적 위치를 알 수 있는 것에 의미가 있는 것으로 판단된다.

Fig. 7 Comparative results for 3 materials according to pressure variation

Fig. 7(c)에서 가장 안전계수가 낮은 STS 316, 200bar 경우의 안전계수 및 응력분포 형상을 Fig. 8에 나타내었다. Fig. 8(a)에서와 같이 밸브스템 리테이너 부분이 가장 취약하며 더 구체적으로 Fig. 8(b)에서와 같이 리테이너 부분의 양쪽 가장자리(밸브스템에서 약 0.5∼1mm 떨어진 거리) 부분이 가장 취약한 것을 확인할 수 있다.

Fig. 8 Images in case of STS 316 and 200bar

Fig. 9에 NIMONIC 86, 100bar 경우의 배기밸브 길이에 따른 등가응력과 안전계수의 표면에서의 예를 나타내었다. Fig. 9(a)에서 등가응력은 밸브헤드에서 밸브스템으로 갈수록 점점 증가한다. 실린더 연소실로 삽입되는 밸브스템 부분에서 높은 응력이 나타난 후 밸브스프링 장착부분에서 감소한다. 또한 리테이너 부분에서 응력의 급격한 증가를 관측할 수 있다. Fig. 9(b)에서 안전계수는 리테이너 부분에서 최저를 나타내며 밸브헤드, 밸브마진, 밸브페이스 등으로 진행함에 따라 안전계수가 점차 감소한다. 이것으로서 압축력을 받는 배기밸브의 구조적 안정성에 관한 전체적 거동을 파악할 수 있는 것으로 판단된다.

Fig. 9 Examples of result according to valve length in case of NIMONIC 86 and 100bar

3.2 열 해석

여기서는 본 해석대상 배기밸브의 열적 특성에 관해 조사하고자 한다. Fig. 10은 NIMONIC 86 소재의 밸브헤드 온도에 따른 밸브 전체의 온도분포를 나타낸 것이다. 밸브헤드의 온도를 Table 3에서와 같이 각 200∼1100℃, 밸브스템앤드부의 온도를 20℃로 지정한 경우의 결과이다. 그림에서와 같이 모든 경우 밸브헤드를 제외한 부분 즉 밸브스템에서는 온도가 선형적으로 감소하고 있음을 확인할 수 있다.

Fig. 10 Total temp. distribution according to temp. of valve head in case of NIMONIC 86

Fig. 11에 NIMONIC 86 소재, 밸브헤드 800℃ 경우의 최대 및 최소 열유속(heat flux) 위치의 예를 나타내었다. 열유속(W/mm2)은 단위면적·단위시간당 에너지를 나타낸다. 열평행 방정식에 기초하므로 유입열과 방출열은 같아야 한다. 여기서 배기밸브 헤드에서 유입된 열은 헤드 외의 부분에서 열을 방출한다. 즉 열유속으로부터 열의 이동량을 파악할 수 있다. 최대(Max.) 및 최소(Min.) 열유속은 유입열과 방출열의 차이가 각각 최대 및 최소가 되는 것을 의미한다. Fig. 11(a)에서 밸브스템 리테이너 양쪽 가장자리 지점에서 열유속은 최대를 나타낸다. 이것은 밸브헤드에서 열을 공급 받아 리테이너 양쪽 가장자리에서 유입열과 방출열의 차가 가장 크다는 것을 의미한다. Fig. 11(b)에서 최소 열유속은 밸브페이스 지점인 것을 알 수 있다. 열유속 관점에서 밸브페이스는 밸브헤드와 인접해 있으면서도 최소 열유속을 보이는 이유는 밸브페이스가 밸브헤드로부터 유입되는 열도 많지만 상대적 표면적이 크므로 상대적으로 방출되는 열도 많기 때문인 것으로 예측된다.

Fig. 11 Locations of max. and min. heat flux in case of NIMONIC 86 and 800℃ of valve head

Fig. 12에 밸브헤드의 온도에 따른 3 소재의 최대 열유속 비교를 나타내었다. 그림을 관측하면 모든 소재의 경우 헤드온도가 증가함에 따라 최대 열유속도 선형적으로 증가한다. STS 316과 SUH 3은 비슷한 경향을 보인다. 그러나 NIMONIC 86은 위의 2 소재와 비교하여 열유속은 작다. 여기서 열유속이 작다라는 것은 단위면적당 열의 출입이 작다는 것을 나타내므로(즉 열전도율의 낮음) NIMONIC 계열의 내열 성능을 잘 나타내는 것으로 판단된다. 따라서 여기서는 NIMONIC 86 소재를 STS 316 및 SUH 3과 비교함에 의해 열적 특성들을 예상해 볼 수 있는 것에 의미가 있다. 내열합금은 열전도율이 낮고 고온에서 고강도를 유지해야 하는 관점에서 고찰하면, 본 해석 대상의 NIMONIC 86 소재는 구조적 강도 측면에서 상온에서 SUH 3과 STS 316의 중간정도의 특성을 가지며, 열적 측면에서는 SUH 3와 STS 316보다 양호한 특성을 가지는 것으로 판단된다. 본 해석에서는 NIMONIC 86에 대해 구조적 강도 측면에서 상온 조건에서 해석을 수행하였다. 그러나 보다 엄밀한 결과를 얻기 위해서는 고온의 경우에 대한 강도 조사도 필요할 것으로 판단된다.

Fig. 12 Comparison for max. heat flux of 3 materials according to temp. of valve head

4. 결론

NIMONIC 86 소재의 소형 선박디젤엔진 배기밸브의 적용 가능성을 알아보기 위해 구조강도 및 열 측면에서 비교 해석을 수행하였다. 그 결과 다음과 같은 결론을 얻었다.

구조적 강도 측면에서 본 해석대상의 배기밸브는 벨브헤드에 압력이 가해질 경우 밸브스템 리테이너의 양쪽 가장자리 부분부터 파손될 가능성이 가장 높았다. 또한 NIMONIC 86 소재는 STS 316 및 SUH 3와 비교하여 최대등가응력은 거의 동일함에도 불구하고 변형량이 가장 작은 것으로부터 배기밸브의 적용 가능성은 비교적 높은 것으로 예상되었다. 구조적 안전성 측면에서 NIMONIC 86 소재는 흡·배기밸브로 가장 일반적으로 사용되는 SUH 3 보다 좋지 못하였으나 STS 316 보다는 양호하였다.

열적 측면에서 본 해석대상의 배기밸브는 열이 가해지는 밸브헤드에서 밸브스템엔드부로 거의 선형적으로 온도가 감소하였다. 열유속 관점에서 밸브스템 리테이너 양쪽 가장자리 부분에서 최대, 밸브페이스 부분에서 최소를 나타내었다. 3 소재를 비교하면 NIMONIC 86 소재는 STS 316과 SUH 3 보다 최대 열유속이 가장 작았다. 즉 열전도율이 가장 작은 것으로부터 내열 성능을 잘 갖춘 것으로 평가되었다.

결론적으로 배기밸브는 고강도 구조 및 저열전도 특성을 갖추어야 한다. NIMONIC 86 소재는 고강도 측면에서 상온에서 SUH 3과 STS 316의 중간 특성을 가지며, 저열전도 측면에서는 SUH 3과 STS 316보다 양호한 특성을 갖춘 것으로 평가되었다. 고강도에 관한 정확한 결과를 얻기 위해서는 상온이 아닌 고온 상태에서의 강도 조사도 필요하다.